Наведенная радиоактивность
Наведённая радиоактивность — это радиоактивность веществ, возникающая под действием облучения их ионизирующим излучением, особенно нейтронами.
При облучении частицами (нейтронами, протонами) стабильные ядра могут превращаться в радиоактивные ядра с различным периодом полураспада, которые продолжают излучать длительное время после прекращения облучения. Особенно сильна радиоактивность, наведённая нейтронным облучением. Это объясняется следующими свойствами этих частиц: для того, чтобы вызвать ядерную реакцию с образованием радиоактивных ядер, гамма-кванты и заряженные частицы должны иметь большую энергию (не меньше нескольких МэВ). Однако они взаимодействуют с электронными оболочками атомов намного интенсивнее, чем с ядрами, и быстро теряют при этом энергию. Кроме того, положительно заряженные частицы (протоны, альфа-частицы) быстро теряют энергию, упруго рассеиваясь на ядрах. Поэтому вероятность гамма-кванта или заряженной частицы вызвать ядерную реакцию ничтожно мала. Например, при бомбардировке бериллия альфа-частицами лишь одна из нескольких тысяч или десятков тысяч (в зависимости от энергии альфа-частиц) вызывает (α, n)-реакцию, а для других веществ эта вероятность ещё меньше.
Нейтроны же, наоборот, захватываются ядрами при любой энергии, более того, максимальна вероятность захвата именно нейтронов с низкой энергией. Поэтому, распространяясь в веществе, нейтрон может попадать в множество ядер последовательно, пока не будет захвачен очередным ядром, и вероятность захвата нейтрона практически равна единице.
Следует заметить, что поглощение нейтронов не обязательно ведёт к появлению наведённой радиоактивности. Многие ядра могут захватывать нейтрон с образованием стабильных ядер, например бор-10 может превратиться в стабильный бор-11 (если захват нейтрона ядром не приведёт к образованию лития и альфа-частицы), лёгкий водород (протий) — в стабильный дейтерий. В таких случаях наведённая радиоактивность не возникает.
Максимальной устойчивостью относительно других элементов к наведённой радиоактивности обладают всего несколько элементов: водород, гелий, бериллий, углерод, кислород, свинец. Это связано или с крайне низким сечением захвата (у гелия-4 оно близко к 0 барн, у дейтерия тоже крайне мало), или с плохой замедляющей способностью с большим количеством последовательных стабильных изотопов (кислород, свинец).
Процесс превращения нерадиоактивных ядер в радиоактивные и образования в веществе радиоактивных изотопов под действием облучения называется активацией.
Активационный анализ
На эффекте наведённой радиоактивности основан мощный метод определения состава вещества, называемый активационным анализом. Образец облучается потоком нейтронов (нейтронно-активационный анализ) или гамма-квантов (, используются фотоядерные реакции). При этом в образце наводится радиоактивность, характер которой, при одинаковом характере облучения, полностью определяется изотопным составом образца. Изучая излучения образца, можно с очень высокой точностью определить его состав. Предел обнаружения различных элементов зависит от интенсивности облучения и составляет до 10−4−10−7 % для гамма-активационного анализа и до 10−5−10−10 % для нейтронно-активационного анализа.
Наведённая радиоактивность при ядерных взрывах
Одним из поражающих факторов ядерного взрыва является радиоактивное загрязнение. Основной вклад в радиоактивное загрязнение вносят осколки деления ядер урана или плутония, но частично радиоактивное загрязнение обеспечивается наведённой радиоактивностью. Особенно сильна наведённая радиоактивность при взрыве термоядерных (особенно нейтронных) зарядов, так как выход нейтронов на единицу энергии в них в несколько раз выше, чем у обычных ядерных зарядов, и средняя энергия нейтронов тоже выше, что делает возможными пороговые реакции. Утверждается, например, что взрыв нейтронной бомбы мощностью в 1 кт в 700 метрах от танка не только убивает экипаж нейтронным излучением, но и создает в броне наведённую радиоактивность, достаточную для получения новым экипажем смертельной дозы в течение суток.
При атмосферных ядерных испытаниях особенно большое значение имеет реакция нейтронов с атмосферным азотом-14 
обладающая довольно высоким сечением (1,75 барн). Общее количество углерода-14, выброшенное в атмосферу во время ядерных испытаний, весьма велико и сравнимо с общим содержанием природного радиоуглерода в атмосфере.
Принцип наведённой радиоактивности положен в основу идеи т. н. кобальтовой бомбы. Это вид ядерного оружия, в котором основным поражающим фактором является радиоактивное загрязнение. Она представляет собой термоядерную бомбу с оболочкой из кобальта, в которой под действием нейтронного излучения взрыва создается изотоп кобальт-60 — сильнейший источник гамма-излучения с периодом полураспада 5,27 лет. Будучи распылённым ядерным взрывом по большой территории, кобальт-60 сделал бы их надолго непригодными для проживания.
Активация конструкционных материалов ядерных реакторов
Ядерные реакторы длительное время (десятки лет) работают в условиях сильнейшего нейтронного облучения (интенсивность потока нейтронов в некоторых энергетических реакторах достигает 1016 см−2·c−1, а в некоторых экспериментальных реакторах — даже 1019 см−2·c−1), а полный флюенс за все время — 1023 см−2. Ещё интенсивнее будут нейтронные потоки в проектируемых термоядерных реакторах. Это создаёт проблемы с утилизацией конструкций реакторов, отработавших свой срок, так как интенсивность наведённой радиоактивности в конструкциях реактора заставляет отнести их к радиоактивным отходам, причём масса этих отходов сравнима или даже больше массы отработанного ядерного топлива. Например, реактор ВВЭР-1000 весит 324,4 т. (без воды и топлива) и даёт за 30 лет службы около 750 т ОЯТ — всего вдвое больше массы самого реактора. Ещё больше весят конструкции реактора РБМК — 1850 т.
Для решения проблемы с утилизацией элементов конструкции реакторов проводятся исследования по созданию материалов и сплавов, в которых наведённая радиоактивность спадает относительно быстро. Это достигается подбором материалов, которые при облучении нейтронами не дают долгоживущих изотопов (с T½ от десятков до миллионов лет). Характер спада радиоактивности определяется изотопным составом облучаемого вещества, а также спектром нейтронов.
Например, нежелательно содержание в таких сплавах никеля, молибдена, ниобия, серебра, висмута: они при облучении нейтронами дают изотопы с длительным временем жизни, например 59Ni (T½ = 100 тыс. лет), 94Nb (T½=20 тыс. лет), 91Nb (T½=680 лет), 93Mo (T½=4 тыс. лет). В термоядерных реакторах нежелательным материалом является также алюминий, в котором под действием быстрых нейтронов нарабатывается долгоживущий изотоп 26Al (T½=700 тыс. лет). В то же время такие материалы, как ванадий, хром, марганец, титан, вольфрам не создают изотопов с длительным временем жизни, поэтому после выдержки в течение нескольких десятков лет активность их падает до уровня, допускающего работу с ними персонала без специальной защиты. Например, сплав 79 % ванадия и 21 % титана, облучённый нейтронами спектра термоядерного реактора DEMO с флюенсом 2·1023 см−2, за 30 лет выдержки уменьшает активность до безопасного уровня (25 мкЗв/ч), а малоактивируемая сталь марки Fe12Cr20MnW только за 100 лет. Однако даже небольшая примесь никеля, ниобия или молибдена может увеличить это время до десятков тысяч лет.
Ещё одним способом уменьшения наведённой радиоактивности является изотопное обогащение. Например, при облучении железа нейтронами основной вклад в наведённую радиоактивность вносит изотоп 55Fe с периодом полураспада 2,7 лет в 55Mn (К-захват с излучением гамма-квантов с энергией 0,0065 МэВ), он образуется из лёгкого изотопа 54Fe, поэтому обогащение природного железа тяжёлыми изотопами может существенно снизить наведённую радиоактивность. Аналогично, существенно снижает наведённую радиоактивность молибдена обогащение тяжёлыми изотопами, а циркония или свинца — напротив, лёгкими. Однако изотопное разделение обходится очень дорого, поэтому экономическая целесообразность его под вопросом.
Примечания
- Neutron scattering lengths and cross sections. www.ncnr.nist.gov. Дата обращения: 13 октября 2020. Архивировано 26 октября 2000 года.
- Активация и активационный анализ. Дата обращения: 11 апреля 2011. Архивировано 18 декабря 2014 года.
- Нейтронная бомба — принцип действия заряда с увеличенным выходом излучения. Дата обращения: 7 апреля 2011. Архивировано 18 декабря 2014 года.
Ссылки
- Радиоактивность наведённая. Атомная энциклопедия. Архивировано 13 мая 2012 года.
- Колотов В. П. Теоретические и экспериментальные подходы к решению задач активационного анализа, гамма-спектрометрии и создания малоактивируемых материалов. Дисс. ... д. хим. н. (2007). Архивировано из оригинала 13 мая 2012 года.
- П. Д. Смит. Кобальтовая бомба.
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Наведенная радиоактивность, Что такое Наведенная радиоактивность? Что означает Наведенная радиоактивность?
Navedyonnaya radioaktivnost eto radioaktivnost veshestv voznikayushaya pod dejstviem oblucheniya ih ioniziruyushim izlucheniem osobenno nejtronami Pri obluchenii chasticami nejtronami protonami stabilnye yadra mogut prevrashatsya v radioaktivnye yadra s razlichnym periodom poluraspada kotorye prodolzhayut izluchat dlitelnoe vremya posle prekrasheniya oblucheniya Osobenno silna radioaktivnost navedyonnaya nejtronnym oblucheniem Eto obyasnyaetsya sleduyushimi svojstvami etih chastic dlya togo chtoby vyzvat yadernuyu reakciyu s obrazovaniem radioaktivnyh yader gamma kvanty i zaryazhennye chasticy dolzhny imet bolshuyu energiyu ne menshe neskolkih MeV Odnako oni vzaimodejstvuyut s elektronnymi obolochkami atomov namnogo intensivnee chem s yadrami i bystro teryayut pri etom energiyu Krome togo polozhitelno zaryazhennye chasticy protony alfa chasticy bystro teryayut energiyu uprugo rasseivayas na yadrah Poetomu veroyatnost gamma kvanta ili zaryazhennoj chasticy vyzvat yadernuyu reakciyu nichtozhno mala Naprimer pri bombardirovke berilliya alfa chasticami lish odna iz neskolkih tysyach ili desyatkov tysyach v zavisimosti ot energii alfa chastic vyzyvaet a n reakciyu a dlya drugih veshestv eta veroyatnost eshyo menshe Nejtrony zhe naoborot zahvatyvayutsya yadrami pri lyuboj energii bolee togo maksimalna veroyatnost zahvata imenno nejtronov s nizkoj energiej Poetomu rasprostranyayas v veshestve nejtron mozhet popadat v mnozhestvo yader posledovatelno poka ne budet zahvachen ocherednym yadrom i veroyatnost zahvata nejtrona prakticheski ravna edinice Sleduet zametit chto pogloshenie nejtronov ne obyazatelno vedyot k poyavleniyu navedyonnoj radioaktivnosti Mnogie yadra mogut zahvatyvat nejtron s obrazovaniem stabilnyh yader naprimer bor 10 mozhet prevratitsya v stabilnyj bor 11 esli zahvat nejtrona yadrom ne privedyot k obrazovaniyu litiya i alfa chasticy lyogkij vodorod protij v stabilnyj dejterij V takih sluchayah navedyonnaya radioaktivnost ne voznikaet Maksimalnoj ustojchivostyu otnositelno drugih elementov k navedyonnoj radioaktivnosti obladayut vsego neskolko elementov vodorod gelij berillij uglerod kislorod svinec Eto svyazano ili s krajne nizkim secheniem zahvata u geliya 4 ono blizko k 0 barn u dejteriya tozhe krajne malo ili s plohoj zamedlyayushej sposobnostyu s bolshim kolichestvom posledovatelnyh stabilnyh izotopov kislorod svinec Process prevrasheniya neradioaktivnyh yader v radioaktivnye i obrazovaniya v veshestve radioaktivnyh izotopov pod dejstviem oblucheniya nazyvaetsya aktivaciej Aktivacionnyj analizOsnovnaya statya Aktivacionnyj analiz Na effekte navedyonnoj radioaktivnosti osnovan moshnyj metod opredeleniya sostava veshestva nazyvaemyj aktivacionnym analizom Obrazec obluchaetsya potokom nejtronov nejtronno aktivacionnyj analiz ili gamma kvantov ispolzuyutsya fotoyadernye reakcii Pri etom v obrazce navoditsya radioaktivnost harakter kotoroj pri odinakovom haraktere oblucheniya polnostyu opredelyaetsya izotopnym sostavom obrazca Izuchaya izlucheniya obrazca mozhno s ochen vysokoj tochnostyu opredelit ego sostav Predel obnaruzheniya razlichnyh elementov zavisit ot intensivnosti oblucheniya i sostavlyaet do 10 4 10 7 dlya gamma aktivacionnogo analiza i do 10 5 10 10 dlya nejtronno aktivacionnogo analiza Navedyonnaya radioaktivnost pri yadernyh vzryvahIzmenenie atmosfernoj koncentracii radiougleroda 14C vyzvannoe yadernymi ispytaniyami Sinim pokazana estestvennaya koncentraciya Odnim iz porazhayushih faktorov yadernogo vzryva yavlyaetsya radioaktivnoe zagryaznenie Osnovnoj vklad v radioaktivnoe zagryaznenie vnosyat oskolki deleniya yader urana ili plutoniya no chastichno radioaktivnoe zagryaznenie obespechivaetsya navedyonnoj radioaktivnostyu Osobenno silna navedyonnaya radioaktivnost pri vzryve termoyadernyh osobenno nejtronnyh zaryadov tak kak vyhod nejtronov na edinicu energii v nih v neskolko raz vyshe chem u obychnyh yadernyh zaryadov i srednyaya energiya nejtronov tozhe vyshe chto delaet vozmozhnymi porogovye reakcii Utverzhdaetsya naprimer chto vzryv nejtronnoj bomby moshnostyu v 1 kt v 700 metrah ot tanka ne tolko ubivaet ekipazh nejtronnym izlucheniem no i sozdaet v brone navedyonnuyu radioaktivnost dostatochnuyu dlya polucheniya novym ekipazhem smertelnoj dozy v techenie sutok Pri atmosfernyh yadernyh ispytaniyah osobenno bolshoe znachenie imeet reakciya nejtronov s atmosfernym azotom 14 01n 714N 614C 11H displaystyle mathrm 0 1 n mathrm 7 14 N rightarrow mathrm 6 14 C mathrm 1 1 H obladayushaya dovolno vysokim secheniem 1 75 barn Obshee kolichestvo ugleroda 14 vybroshennoe v atmosferu vo vremya yadernyh ispytanij vesma veliko i sravnimo s obshim soderzhaniem prirodnogo radiougleroda v atmosfere Princip navedyonnoj radioaktivnosti polozhen v osnovu idei t n kobaltovoj bomby Eto vid yadernogo oruzhiya v kotorom osnovnym porazhayushim faktorom yavlyaetsya radioaktivnoe zagryaznenie Ona predstavlyaet soboj termoyadernuyu bombu s obolochkoj iz kobalta v kotoroj pod dejstviem nejtronnogo izlucheniya vzryva sozdaetsya izotop kobalt 60 silnejshij istochnik gamma izlucheniya s periodom poluraspada 5 27 let Buduchi raspylyonnym yadernym vzryvom po bolshoj territorii kobalt 60 sdelal by ih nadolgo neprigodnymi dlya prozhivaniya Aktivaciya konstrukcionnyh materialov yadernyh reaktorovYadernye reaktory dlitelnoe vremya desyatki let rabotayut v usloviyah silnejshego nejtronnogo oblucheniya intensivnost potoka nejtronov v nekotoryh energeticheskih reaktorah dostigaet 1016 sm 2 c 1 a v nekotoryh eksperimentalnyh reaktorah dazhe 1019 sm 2 c 1 a polnyj flyuens za vse vremya 1023 sm 2 Eshyo intensivnee budut nejtronnye potoki v proektiruemyh termoyadernyh reaktorah Eto sozdayot problemy s utilizaciej konstrukcij reaktorov otrabotavshih svoj srok tak kak intensivnost navedyonnoj radioaktivnosti v konstrukciyah reaktora zastavlyaet otnesti ih k radioaktivnym othodam prichyom massa etih othodov sravnima ili dazhe bolshe massy otrabotannogo yadernogo topliva Naprimer reaktor VVER 1000 vesit 324 4 t bez vody i topliva i dayot za 30 let sluzhby okolo 750 t OYaT vsego vdvoe bolshe massy samogo reaktora Eshyo bolshe vesyat konstrukcii reaktora RBMK 1850 t Dlya resheniya problemy s utilizaciej elementov konstrukcii reaktorov provodyatsya issledovaniya po sozdaniyu materialov i splavov v kotoryh navedyonnaya radioaktivnost spadaet otnositelno bystro Eto dostigaetsya podborom materialov kotorye pri obluchenii nejtronami ne dayut dolgozhivushih izotopov s T ot desyatkov do millionov let Harakter spada radioaktivnosti opredelyaetsya izotopnym sostavom obluchaemogo veshestva a takzhe spektrom nejtronov Naprimer nezhelatelno soderzhanie v takih splavah nikelya molibdena niobiya serebra vismuta oni pri obluchenii nejtronami dayut izotopy s dlitelnym vremenem zhizni naprimer 59Ni T 100 tys let 94Nb T 20 tys let 91Nb T 680 let 93Mo T 4 tys let V termoyadernyh reaktorah nezhelatelnym materialom yavlyaetsya takzhe alyuminij v kotorom pod dejstviem bystryh nejtronov narabatyvaetsya dolgozhivushij izotop 26Al T 700 tys let V to zhe vremya takie materialy kak vanadij hrom marganec titan volfram ne sozdayut izotopov s dlitelnym vremenem zhizni poetomu posle vyderzhki v techenie neskolkih desyatkov let aktivnost ih padaet do urovnya dopuskayushego rabotu s nimi personala bez specialnoj zashity Naprimer splav 79 vanadiya i 21 titana obluchyonnyj nejtronami spektra termoyadernogo reaktora DEMO s flyuensom 2 1023 sm 2 za 30 let vyderzhki umenshaet aktivnost do bezopasnogo urovnya 25 mkZv ch a maloaktiviruemaya stal marki Fe12Cr20MnW tolko za 100 let Odnako dazhe nebolshaya primes nikelya niobiya ili molibdena mozhet uvelichit eto vremya do desyatkov tysyach let Eshyo odnim sposobom umensheniya navedyonnoj radioaktivnosti yavlyaetsya izotopnoe obogashenie Naprimer pri obluchenii zheleza nejtronami osnovnoj vklad v navedyonnuyu radioaktivnost vnosit izotop 55Fe s periodom poluraspada 2 7 let v 55Mn K zahvat s izlucheniem gamma kvantov s energiej 0 0065 MeV on obrazuetsya iz lyogkogo izotopa 54Fe poetomu obogashenie prirodnogo zheleza tyazhyolymi izotopami mozhet sushestvenno snizit navedyonnuyu radioaktivnost Analogichno sushestvenno snizhaet navedyonnuyu radioaktivnost molibdena obogashenie tyazhyolymi izotopami a cirkoniya ili svinca naprotiv lyogkimi Odnako izotopnoe razdelenie obhoditsya ochen dorogo poetomu ekonomicheskaya celesoobraznost ego pod voprosom PrimechaniyaNeutron scattering lengths and cross sections neopr www ncnr nist gov Data obrasheniya 13 oktyabrya 2020 Arhivirovano 26 oktyabrya 2000 goda Aktivaciya i aktivacionnyj analiz neopr Data obrasheniya 11 aprelya 2011 Arhivirovano 18 dekabrya 2014 goda Nejtronnaya bomba princip dejstviya zaryada s uvelichennym vyhodom izlucheniya neopr Data obrasheniya 7 aprelya 2011 Arhivirovano 18 dekabrya 2014 goda SsylkiRadioaktivnost navedyonnaya neopr Atomnaya enciklopediya Arhivirovano 13 maya 2012 goda Kolotov V P Teoreticheskie i eksperimentalnye podhody k resheniyu zadach aktivacionnogo analiza gamma spektrometrii i sozdaniya maloaktiviruemyh materialov neopr Diss d him n 2007 Arhivirovano iz originala 13 maya 2012 goda P D Smit Kobaltovaya bomba
